Upptäckten av vad som i huvudsak är en 3D-version av grafen – 2D-skikten av kol genom vilka elektroner rasar med många gånger den hastighet med vilken de rör sig genom kisel – lovar spännande nya saker att komma för den högteknologiska industrin, inklusive mycket snabbare transistorer och mycket mer kompakta hårddiskar. Ett samarbete mellan forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt att natriumvismutat kan existera som en form av kvantmateria som kallas en tredimensionell topologisk Dirac-halvmetall (3DTDS). Detta är den första experimentella bekräftelsen av 3D Dirac-fermioner i det inre eller större delen av ett material, ett nytt tillstånd som först nyligen föreslogs av teoretiker.

"En 3DTDS är en naturlig tredimensionell motsvarighet till grafen med liknande eller ännu bättre mobilitets- och hastighetselektroner, säger Yulin Chen, en fysiker med Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS) när han initierade studien som ledde till denna upptäckt, och nu med University of Oxford. "På grund av dess 3D Dirac-fermioner i bulk, en 3DTDS har också spännande icke-mättande linjär magnetresistans som kan vara storleksordningar högre än de GMR-material som nu används i hårddiskar, och det öppnar dörren till effektivare optiska sensorer."

Chen är motsvarande författare till en artikel i Vetenskap rapportera upptäckten. Uppsatsen har titeln "Discovery of a Three-dimensional Topological Dirac Semimetal, Na ₃ Bi." Medförfattare var Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung-Kwan Mo, Zhi-Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai och Zahid Hussain.

Två av de mest spännande nya materialen i dagens högteknologiska värld är grafen och topologiska isolatorer, kristallina material som är elektriskt isolerande i bulken men ledande på ytan. Båda har 2D Dirac-fermioner (fermioner som inte är deras egen antipartikel), som ger upphov till extraordinära och mycket eftertraktade fysiska egenskaper. Topologiska isolatorer har också en unik elektronisk struktur, där bulkelektroner beter sig som de i en isolator medan ytelektroner beter sig som de i grafen.

"Den snabba utvecklingen av grafen och topologiska isolatorer har väckt frågor om huruvida det finns 3D-motsvarigheter och andra material med ovanlig topologi i deras elektroniska struktur, " säger Chen. "Vår upptäckt svarar på båda frågorna. I natriumvismutatet vi studerade, bulklednings- och valensbanden berör endast vid diskreta punkter och sprids linjärt längs alla tre momentumriktningarna för att bilda bulk 3D Dirac-fermioner. Vidare, topologin för en 3DTSD elektronisk struktur är också lika unik som topologiska isolatorer."

Upptäckten gjordes vid Advanced Light Source (ALS), en DOE nationell användaranläggning inrymd vid Berkeley Lab, med beamline 10.0.1, som är optimerad för studier av elektronstruktur. Det samarbetande forskarteamet utvecklade först en speciell procedur för att korrekt syntetisera och transportera natriumvismutatet, en halvmetallförening identifierad som en stark 3DTDS-kandidat av medförfattarna Fang och Dai, teoretiker med den kinesiska vetenskapsakademin.

Vid ALS-strållinje 10.0.1, samarbetspartnerna bestämde den elektroniska strukturen för sitt material med hjälp av Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES), där röntgenstrålar som träffar en materialyta eller gränssnitt orsakar fotoemission av elektroner i vinklar och kinetiska energier som kan mätas för att erhålla ett detaljerat elektroniskt spektrum.

"ALS beamline 10.0.1 är perfekt för att utforska nya material, eftersom den har en unik förmåga där analysatorn flyttas snarare än provet för ARPES-mätningsskanningarna, " säger Chen. "Detta gjorde vårt arbete mycket lättare eftersom den kluvna provytan på vårt material ibland har flera aspekter, vilket gör de roterande provmätscheman som vanligtvis används för ARPES-mätningar svåra att utföra."

Natriumvismutat är för instabilt för att användas i enheter utan ordentlig förpackning, men det sätter igång utforskningen av andra 3DTDS-material som är mer lämpade för vardagliga enheter, en sökning som redan pågår. Natriumvismutat kan också användas för att demonstrera potentiella tillämpningar av 3DTDS-system, som erbjuder några distinkta fördelar jämfört med grafen.

"Ett 3DTDS-system skulle kunna ge en betydande förbättring av effektiviteten i många applikationer jämfört med grafen på grund av dess 3D-volym, " säger Chen. "Också, Att förbereda stora atomärt tunna grafenfilmer med en domän är fortfarande en utmaning. Det kan vara lättare att tillverka enheter av grafentyp för ett bredare spektrum av applikationer från 3DTDS-system."

Dessutom, Chen säger, ett 3DTDS-system öppnar också dörren till andra nya fysiska egenskaper, som gigantisk diamagnetism som divergerar när energi närmar sig 3D Dirac-punkten, kvantmagnetoresistans i bulken, unika Landau-nivåstrukturer under starka magnetfält, och oscillerande kvantspinn Hall-effekter. Alla dessa nya egenskaper kan vara en välsignelse för framtida elektroniska teknologier. Framtida 3DTDS-system kan också fungera som en idealisk plattform för tillämpningar inom spintronik.